Java多線程基礎（一）——線程與鎖

1、線程的基本概念

1.1 單線程

簡單的說，單線程就是進程中只有一個線程。單線程在程序執行時，所走的程序路徑按照連續順序排下來，前面的必須處理好，後面的纔會執行。

Java示例：

public class SingleThread {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }
}

上述Java代碼中，只有一個主線程執行main方法。

1.2 多線程

由一個以上線程組成的程序稱爲多線程程序。常見的多線程程序如：GUI應用程序、I/O操做、網絡容器等。
Java中，必定是從主線程開始執行（main方法），而後在主線程的某個位置啓動新的線程。

2、線程的基本操做

2.1 建立

Java中建立多線程類兩種方法：

一、繼承java.lang.Thread

Java示例：

public class MyThread extends Thread {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }
}
public class MultiThread {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t = new MyThread();
        t.start();    //啓動子線程
        //主線程繼續同時向下執行
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }
}

上述代碼中，MyThread類繼承了類java.lang.Thread，並覆寫了run方法。主線程從main方法開始執行，當主線程執行至t.start()時，啓動新線程（注意此處是調用start方法，不是run方法），新線程會併發執行自身的run方法。

二、實現java.lang.Runnable接口

Java示例：

public class MyThread implements Runnable {
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }
}
public class MultiThread {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(new MyThread());
        t.start();    //啓動子線程
        //主線程繼續同時向下執行
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.print(i + " ");
        }
    }
}

上述代碼中，MyThread類實現了java.lang.Runnable接口，並覆寫了run方法，其它與繼承java.lang.Thread徹底相同。實際上，java.lang.Thread類自己也實現了Runnable接口，只不過java.lang.Thread類的run方法主體裏空的，一般被子類覆寫（override）。

注意：主線程執行完成後，若是還有子線程正在執行，程序也不會結束。只有當全部線程都結束時（不含Daemon Thread），程序纔會結束。

2.2 暫停

Java中線程的暫停是調用java.lang.Thread類的sleep方法（注意是類方法）。該方法會使當前正在執行的線程暫停指定的時間，若是線程持有鎖，sleep方法結束前並不會釋放該鎖。

Java示例：

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.print(i + " ");
            try {
                Thread.sleep(1000);    //當前main線程暫停1000ms
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    }
}

上述代碼中，當main線程調用Thread.sleep(1000)後，線程會被暫停，若是被interrupt，則會拋出InterruptedException異常。

2.3 互斥

Java中線程的共享互斥操做，會使用synchronized關鍵字。線程共享互斥的架構稱爲監視（monitor），而獲取鎖有時也稱爲「持有(own)監視」。

每一個鎖在同一時刻，只能由一個線程持有。
注意：synchronized方法或聲明執行期間，如程序遇到任何異常或return，線程都會釋放鎖。

一、synchronized方法

Java示例1：

//synchronized實例方法
public synchronized void deposit(int m) {
    System.out.print("This is synchronized method.");
}

注：synchronized實例方法採用this鎖（即當前對象）去作線程的共享互斥。

Java示例2：

//synchronized類方法
public static synchronized void deposit(int m) {
    System.out.print("This is synchronized static method.");
}

注：synchronized類方法採用類對象鎖（即當前類的類對象）去作線程的共享互斥。如上述示例中，採用類.class（繼承自java.lang.Class）做爲鎖。

二、synchronized聲明
Java示例：

public void deposit(int m) {
    synchronized (this) {
        System.out.print("This is synchronized statement with this lock.");
    }
    synchronized (Something.class) {
        System.out.print("This is synchronized statement with class lock.");
    }
}

注：synchronized聲明能夠採用任意鎖，上述示例中，分別採用了對象鎖（this）和類鎖（something.class）

2.4 中斷

java.lang.Thread類有一個interrupt方法，該方法直接對線程調用。當被interrupt的線程正在sleep或wait時，會拋出InterruptedException異常。
事實上，interrupt方法只是改變目標線程的中斷狀態（interrupt status），而那些會拋出InterruptedException異常的方法，如wait、sleep、join等，都是在方法內部不斷地檢查中斷狀態的值。

• interrupt方法

Thread實例方法：必須由其它線程獲取被調用線程的實例後，進行調用。實際上，只是改變了被調用線程的內部中斷狀態；

• Thread.interrupted方法

Thread類方法：必須在當前執行線程內調用，該方法返回當前線程的內部中斷狀態，而後清除中斷狀態（置爲false） ；

• isInterrupted方法

Thread實例方法：用來檢查指定線程的中斷狀態。當線程爲中斷狀態時，會返回true；不然返回false。

2.5 協調

一、wait set / wait方法
wait set是一個虛擬的概念，每一個Java類的實例都有一個wait set，當對象執行wait方法時，當前線程就會暫停，並進入該對象的wait set。
當發生如下事件時，線程纔會退出wait set：
①有其它線程以notify方法喚醒該線程
②有其它線程以notifyAll方法喚醒該線程
③有其它線程以interrupt方法喚醒該線程
④wait方法已到期
注：當前線程若要執行obj.wait()，則必須先獲取該對象鎖。當線程進入wait set後，就已經釋放了該對象鎖。

下圖中線程A先得到對象鎖，而後調用wait()方法（此時線程B沒法獲取鎖，只能等待）。當線程A調用完wait()方法進入wait set後會自動釋放鎖，線程B得到鎖。

二、notify方法
notify方法至關於從wait set中從挑出一個線程並喚醒。
下圖中線程A在當前實例對象的wait set中等待，此時線程B必須拿到同一實例的對象鎖，才能調用notify方法喚醒wait set中的任意一個線程。
注：線程B調用notify方法後，並不會當即釋放鎖，會有一段時間差。

三、notifyAll方法
notifyAll方法至關於將wait set中的全部線程都喚醒。

四、總結
wait、notify、notifyAll這三個方法都是java.lang.Object類的方法（注意，不是Thread類的方法）。
若線程沒有拿到當前對象鎖就直接調用對象的這些方法，都會拋出java.lang.IllegalMonitorStateException異常。

• obj.wait()是把當前線程放到obj的wait set；
• obj.notify()是從obj的wait set裏喚醒1個線程；
• obj.notifyAll()是喚醒全部在obj的wait set裏的線程。

3、線程的狀態轉移

• 當建立一個Thread子類或實現Runnable接口類的實例時，線程進入【初始】狀態；
• 調用實例的start方法後，線程進入【可執行】狀態；
• 系統會在某一時刻自動調度處於【可執行】狀態的線程，被調度的線程會調用run方法，進入【執行中】狀態；
• 線程執行完run方法後，進入【結束】狀態；
• 處於【結束】狀態的線程，在某一時刻，會被JVM垃圾回收；
• 處於【執行中】狀態的線程，若調用了Thread.yield方法，會回到【可執行】狀態，等待再次被調度；
• 處於【執行中】狀態的線程，若調用了wait方法，會進入wait set並一直等待，直到被其它線程經過notify、notifyAll、interrupt方法喚醒；
• 處於【執行中】狀態的線程，若調用了Thread.sleep方法，會進入【Sleep】狀態，沒法繼續向下執行。當sleep時間結束或被interrupt時，會回到【可執行狀態】；
• 處於【執行中】狀態的線程，若遇到阻塞I/O操做，也會中止等待I/O完成，而後回到【可執行狀態】；